電磁頻譜簡介
什麼是電磁能？
電磁能以波的形式傳播，範圍很廣，從很長的無線電波到很短的伽馬射線。人眼只能偵測到該光譜中的一小部分（稱為可見光）。無線電偵測頻譜的不同部分，而 X 光機則使用另一部分。美國太空總署的科學儀器使用全範圍的電磁波譜來研究地球、太陽系和更遠的宇宙。
當您調收音機、看電視、發送簡訊或在微波爐中爆米花時，您正在使用電磁能量。你每天每時每刻都依賴這種能量。沒有它，你所知道的世界就不可能存在。
我們的保護大氣層
我們的太陽是全光譜的能源，它的電磁輻射不斷轟擊我們的大氣層。然而，地球的大氣層保護我們免受一系列可能對生命有害的較高能量波的影響。伽馬射線、X 射線和一些紫外線具有“電離性”，這意味著這些波具有很高的能量，可以將電子從原子中擊落。暴露於這些高能量波會改變原子和分子，並對有機物中的細胞造成損害。這些細胞的變化有時會有所幫助，例如使用輻射殺死癌細胞時，而有時卻沒有幫助，例如當我們被曬傷時。
大氣窗口
超越我們的大氣層 – NASA 的太空船，例如 RHESI，為科學家提供了獨特的有利位置，幫助他們「看到」被地球保護性大氣層阻擋的高能量波長。
電磁輻射主要被地球大氣層中的幾種氣體反射或吸收，其中最重要的是水蒸氣、二氧化碳和臭氧。一些輻射，例如可見光，大部分穿過（傳輸）大氣層。這些具有可以穿過大氣層的波長的光譜區域被稱為“大氣窗口”。有些微波甚至可以穿過雲層，這使得它們成為傳輸衛星通訊訊號的最佳波長。
雖然我們的大氣層對於保護地球上的生命和保持地球的宜居性至關重要，但對於研究太空中的高能量輻射源來說，它的幫助並不是很大。儀器必須放置在地球吸收能量的大氣層上方，才能「看到」更高能量甚至一些較低能量的光源，例如類星體。
電磁波的剖析
能量是做功能力的衡量標準，有多種形式，並且可以從一種類型轉變為另一種類型。儲存能量或潛在能量的例子包括大壩後面的電池和水。運動中的物體是動能的例子。帶電粒子（例如電子和質子）在移動時會產生電磁場，這些場傳輸我們稱為電磁輻射或光的能量類型。
什麼是電磁波和機械波？
機械波和電磁波是我們周圍世界能量傳輸的兩種重要方式。水中的波和空氣中的聲波是機械波的兩個例子。機械波是由物質（無論是固體、氣體、液體或等離子體）的擾動或振動引起的。波傳播的物質稱為介質。水波是由液體中的振動形成的，聲波是由氣體（空氣）中的振動形成的。這些機械波透過介質傳播，導致分子相互碰撞，就像倒下的骨牌將能量從一個分子傳遞到下一個分子一樣。聲波無法在太空的真空中傳播，因為沒有介質來傳輸這些機械波。
經典波傳輸能量而不通過介質傳輸物質。池塘中的波浪不會將水分子從一個地方帶到另一個地方；而是將水分子從一個地方帶到另一個地方。相反，波的能量在水中傳播，使水分子留在原處，就像一隻蟲子在水中的波紋上漂浮。
電磁波
電可以是靜態的，就像可以讓你的頭髮豎起來的能量一樣。磁性也可以是靜態的，就像冰箱貼圖一樣。變化的磁場會造成變化的電場，反之亦然——兩者是相互連結的。這些變化的場形成電磁波。電磁波與機械波的不同之處在於它們不需要介質來傳播。這意味著電磁波不僅可以穿過空氣和固體材料，還可以穿過太空的真空。
在 1860 年代和 1870 年代，一位名叫詹姆斯·克拉克·麥克斯韋 (James Clerk Maxwell) 的蘇格蘭科學家提出了解釋電磁波的科學理論。他注意到電場和磁場可以耦合在一起形成電磁波。他將電和磁之間的關係總結為現在所謂的「麥克斯韋方程組」。
德國物理學家海因里希·赫茲將麥克斯韋的理論應用於無線電波的產生與接收。無線電波的頻率單位——每秒一個週期——被命名為赫茲，以紀念海因里希·赫茲。
他的無線電波實驗解決了兩個問題。首先，他具體地證明了麥克斯韋僅在理論上提出的觀點——無線電波的速度等於光速！這證明無線電波是光的一種形式！其次，赫茲發現如何使電場和磁場脫離電線並以麥克斯韋波（電磁波）的形式自由傳播。
波還是粒子？是的！
光由稱為光子的離散能量包組成。光子帶有動量，沒有質量，並且以光速傳播。所有光都具有類粒子和類波的特性。儀器如何設計來感應光會影響觀察到哪些特性。將光衍射成光譜進行分析的儀器是觀察光的波狀特性的一個例子。數位相機中使用的偵測器可以觀察到光的粒子狀性質－單一光子釋放電子，用於偵測和儲存影像資料。
極化
光的物理特性之一是它可以偏振。極化是電磁場排列的測量。在上圖中，電場（紅色）是垂直極化的。想像一下向柵欄丟飛盤。在一種方向上它將通過，在另一種方向上它將被拒絕。這類似於太陽眼鏡透過吸收光的偏振部分來消除眩光的方式。
描述電磁能
光、電磁波和輻射這些術語都指同一種物理現象：電磁能。這種能量可以用頻率、波長或能量來描述。這三者在數學上都是相關的，如果你知道其中之一，你可以計算出另外兩個。無線電和微波通常用頻率（赫茲）來描述，紅外線和可見光用波長（米）來描述，X射線和伽馬射線用能量（電子伏特）來描述。這是一個科學約定，允許方便地使用數字既不太大也不太小的單位。
頻率
一秒內通過給定點的波峰數量被描述為波的頻率。每秒一個波（或週期）稱為赫茲 (Hz)，以確立無線電波存在的海因里希·赫茲 (Heinrich Hertz) 的名字命名。一秒內經過一個點的具有兩個週期的波的頻率為 2 Hz。
波長
電磁波具有與海浪類似的波峰和波谷。波峰之間的距離就是波長。最短的波長只是原子大小的幾分之一，而科學家目前研究最長的波長可能比我們星球的直徑還要大！
活力
電磁波也可以以其能量來描述，其測量單位稱為電子伏特 (eV)。電子伏特是使電子移動通過一伏電位所需的動能。沿著光譜從長波長到短波長移動，能量隨著波長的縮短而增加。考慮一條兩端被上下拉動的跳繩。需要更多的能量才能使繩子產生更多的波浪。
波浪行為
電磁波譜中的光波也有類似的行為方式。當光波遇到物體時，它們會被透射、反射、吸收、折射、偏振、繞射或散射，這取決於物體的成分和光的波長。
美國太空總署太空船和飛機上的專用儀器收集有關電磁波與物質相互作用時如何表現的數據。這些數據可以揭示物質的物理和化學成分。
反射
反射是指入射光（入射光）撞擊物體並反射回來。非常光滑的表面（例如鏡子）幾乎反射所有入射光。
物體的顏色實際上是反射光的波長，而所有其他波長都被吸收。在這種情況下，顏色是指我們的眼睛感知的可見光譜中不同波長的光。物質的物理和化學成分決定了反射的波長（或顏色）。
美國太空總署月球勘測軌道飛行器上的雷射利用這種光的反射行為來繪製月球表面的地圖。該儀器測量雷射脈衝撞擊表面並返回所需的時間。反應時間越長，距離地面越遠，海拔越低。反應時間越短意味著表面更接近或海拔更高。在這張月球南半球的圖像中，低海拔地區顯示為紫色和藍色，高海拔地區顯示為紅色和棕色。
圖片來源：NASA/戈達德
吸收
當入射光的光子撞擊原子和分子並導致它們振動時，就會發生吸收。物體的分子移動和振動越多，它就會變得越熱。然後，該熱量以熱能的形式從物體中散發出來。
某些物體（例如深色物體）比其他物體吸收更多的入射光能。例如，黑色路面吸收大部分可見光和紫外線能量，反射很少，而淺色混凝土人行道反射的能量多於吸收的能量。因此，在炎熱的夏日，黑色的人行道比人行道更熱。光子在吸收過程中四處反彈，並沿途將少量能量損失給眾多分子。然後，該熱能以較長波長的紅外線能的形式輻射。
城市吸能瀝青和屋頂的熱輻射可使表面溫度升高多達 10 攝氏度。下面的 Landsat 7 衛星影像顯示，與週邊地區相比，亞特蘭大市是一座熱島。有時，城市上空的空氣變暖會影響天氣，這被稱為「城市熱島效應」。
圖片來源：Marit Jentoft-Nilsen，基於 Landsat-7 資料。
繞射
衍射是波在障礙物周圍的彎曲和傳播。當光波撞擊到與其自身波長相當的物體時，這種現象最為明顯。一種稱為光譜儀的儀器利用衍射將光分成一系列波長——光譜。在可見光的情況下，透過衍射分離波長會產生彩虹。
光譜儀利用狹縫或光柵的光的繞射（以及隨後的干涉）來分離波長。然後可以檢測並記錄特定波長的微弱能量峰值。這些數據的圖表稱為光譜特徵。光譜特徵中的模式可以幫助科學家辨識恆星和星際物質的物理狀況和成分。
下圖來自 ESA（歐洲太空總署）赫歇爾太空望遠鏡上的 SPIRE 紅外光譜儀，顯示了 Galaxy M82 中一氧化碳 (CO)、原子碳和電離氮的強烈發射線。
圖片來源：ESA/NASA/JPL-Caltech
分散
當光線從物體向各個方向反射時就會發生散射。發生的散射量取決於光的波長以及物體的尺寸和結構。
由於這種散射行為，天空呈現藍色。較短波長的光（藍色和紫色）在穿過大氣層時會被氮氣和氧氣散射。較長波長的光（紅色和黃色）可以穿過大氣層。這種較短波長的光散射用可見光譜的藍色和紫色端的光照亮了天空。儘管紫色比藍色散射更多，但天空對我們來說看起來是藍色的，因為我們的眼睛對藍光更敏感。
大氣中的氣溶膠也會散射光。美國太空總署的雲氣溶膠雷射雷達和紅外線探路者衛星觀測（CALIPSO）衛星可以觀察雷射脈衝的散射，以「看到」沙塵暴和森林火災等來源的氣溶膠的分佈。下圖顯示了 2010 年冰島埃亞菲亞德拉冰蓋火山爆發後飄過歐洲上空的火山灰雲。
圖片來源：NASA/GSFC/LaRC/JPL，MISR 團隊
折射
折射是指光波從一種介質傳播到另一種介質時改變方向。光在空氣中的傳播速度比在真空中慢，在水中的傳播速度甚至更慢。當光進入不同的介質時，速度的變化會使光彎曲。不同波長的光以不同的速率減慢，這導致它們以不同的角度彎曲。
例如，當可見光的全光譜穿過棱鏡玻璃時，波長被分成彩虹的顏色。